什么时候圆形不如锯齿状环稳定？显然，当你谈论碳纳米管时。
莱斯大学的理论研究人员发现，从固体催化剂中生长出来的具有“锯齿形”和“扶手椅”刻面的偏析截面的纳米管比圆形排列的能量稳定性更强。
他们报告说，在适当的情况下，生长的纳米管与其催化剂之间的界面可以通过双面“Janus”配置达到其最低已知的能量状态，其中半圆形的锯齿形与六个扶手椅相对。
这些术语指的是纳米管边缘的形状：锯齿形纳米管的末端看起来像锯齿，而扶手椅就像一排带扶手的座椅。它们是被称为石墨烯（以及其他2D材料）的二维碳原子蜂窝的基本边缘构型，并且决定了许多材料的特性，尤其是导电性。
布朗工程学院材料理论家Boris Yakobson，研究员兼主要作者Ksenia Bets和助理研究教授Evgeni Penev在美国化学学会杂志ACS Nano上报告了他们的研究结果。
该理论是该团队去年发现Janus界面可能形成钨和钴催化剂的延续，导致单一手性，称为（12,6），其他实验室已报告在2014年增长。
Rice团队现在表明这种结构不是特定催化剂所特有的，而是许多刚性催化剂的一般特征。这是因为连接到纳米管边缘的原子总是寻找它们的最低能量状态，而恰好在Janus配置中找到它们，它们命名为AZ。
“人们已经在研究中假设边缘的几何形状是一个圆形，”佩内夫说。 “这很直观 - 假设最短的边缘是最好的，这是正常的。但我们发现，对于手性管，稍微伸长的Janus边缘可以使它与固体催化剂更好地接触。这种边缘的能量可以非常低。 “
在圆形配置中，平底扶手椅底部搁置在基板上，提供催化剂和纳米管之间的最大数量的接触，其直接生长。 （Janus边缘迫使它们以一定角度生长。）
碳纳米管 - 石墨烯的长管卷管 - 很难通过电子显微镜观察到。到目前为止，还没有办法观察纳米管的基底，因为它在化学气相沉积炉中从底部向上生长。但是，在界面处催化剂和纳米管之间通过的原子级能量的理论计算可以告诉研究人员很多关于它们如何生长的信息。
这是莱斯实验室十多年来一直追求的道路，拉动了一条线索，揭示了纳米管生长的微小调整如何改变动力学，以及纳米管如何在应用中得到应用。
“通常，在纳米管边缘插入新原子需要破坏纳米管和基板之间的界面，”Bets说。 “如果界面紧张，那将耗费太多能量。这就是为什么Yakobson教授在2009年提出的螺旋位错增长理论能够将生长速率与扭结的存在联系起来，扭结是纳米管边缘上破坏了紧密的碳纳米管 - 基板接触。
“奇怪的是，即使Janus边缘配置允许与基板非常紧密接触，它仍然保留了单个扭结，这将允许连续的纳米管生长，正如我们去年展示的钴钨催化剂，”Bets说。
Bets进行了广泛的计算机模拟，以模拟在三种刚性催化剂上生长的纳米管，这些催化剂显示出Janus生长的证据，而另一种“流体”催化剂碳化钨则没有。 “这种催化剂的表面非常易于移动，因此原子可以移动很多，”Penev说。 “对于那个，我们没有观察到明显的隔离。”
雅各布森将Janus纳米管与Wulff晶体形状进行了比较。 “有点令人惊讶的是，我们的分析表明重组的，刻面的边缘对于手性管具有积极的优势，”他说。 “假设最低能量边缘必须是最小长度的圆圈就像假设晶体形状必须是最小表面球体，但我们很清楚3D形状具有小平面，2D形状是多边形，正如Wulff结构所示。
——文章发布于2019年7月29日
“石墨烯必然有几个'侧面'，但纳米管圆柱体有一个边缘，使能量分析不同，”他说。 “这引发了关于纳米管边缘相关结构的基本有趣且实际上重要的问题。”
赖斯的研究人员希望他们的发现将推动他们走向这些答案。 “这一发现的直接暗示是我们对增长机制的理解的范式转变，”雅各布森说。 “对于电子和光学用途，实际上如何设计催化剂以实现有效生长，尤其是受控纳米管对称型催化剂，这可能变得非常重要。”
